A STUDY OF THE BIOTECHNOLOGICAL APPLICATIONS OF NOVOSPHINGOBIUM PUTEOLANUM PP1Y. Dr. Luca Troncone Dottorato in Scienze Biotecnologiche – XXIV° ciclo Indirizzo Biotecnologie Industriali e Molecolari Università di Napoli Federico II Dottorato in Scienze Biotecnologiche – XXIV° ciclo Indirizzo Biotecnologie Industriali e Molecolari Università di Napoli Federico II A STUDY OF THE BIOTECHNOLOGICAL APPLICATIONS OF NOVOSPHINGOBIUM PUTEOLANUM PP1Y. Dr. Luca Troncone Dottorando: Dr. Luca Troncone Relatore: Prof. Alberto Di Donato Coordinatore: Prof. Giovanni Sannia A zia Nanna Index INDEX RIASSUNTO pag. 3 SUMMARY pag. 8 I. INTRODUCTION pag. 9 1.1. Antropic pollution and bioremediation. 1.2. Microbial biofilm. 1.3. Bioremediation and biofilm. 1.4. Novosphingobium puteolanum PP1Y. 1.5. Aim of the project. II. MATERIALS & METHODS pag. 23 2.1. Culture Media. 2.2. PAH-Agar Plates. 2.3. Optimal Salt Concentration, pH and Temperature for Growth of Strain PP1Y. 2.4. Growth on Fuels. 2.5. Growth on Single Hydrocarbons. 2.6. Phase Contrast Microscopy. 2.7. Removal of Oil-Dissolved Aromatic Hydrocarbons by Strain PP1Y. 2.8. Removal of Aromatic Hydrocarbons from polluted soils: 2.8.1. Growing conditions; 2.8.2. Preparation of microcosms; 2.8.3. Removal of aromatic hydrocarbons from soil by strain PP1Y. 2.9. Heavy metals resistance. 2.10. Analysis of the Extracellular Products: 2.10.1. Proteins analysis: 2.10.1.1. Mass spectrometric analysis. 2.10.2. Carbohydrate analysis: 2.10.2.1. Acetylated methyl glycosides. 2.10.3. Emulsification procedures. 2.11. Genome Analysis. 1 Index 2.12. Other Methods. III. RESULTS & DISCUSSION pag. 31 3.1. Characterization of Novosphingobium puteolanum PP1Y. 3.1.1. Phenotypic characterization of strain PP1Y and growth conditions. 3.1.2. The planktonic-sessile dimorphism of Novosphingobium puteolanum PP1Y and the analysis of the extracellular products. 3.1.3. The flocks produced by strain PP1Y. 3.1.4. Growth on diesel oil, gasoline and artificial diesel and biofilm formation. 3.2. Genome analysis of Novosphingobium puteolanum PP1Y. 3.2.1. Genetic basis of aromatic compounds degradation in strain PP1Y. 3.2.2. Genetic basis of strain PP1Y resistance to organic solvents. 3.2.3. Genetic basis of the production of extracellular carbohydrates in strain PP1Y. 3.3. The biotechnological potential of Novosphingobium puteolanum PP1Y. 3.3.1. Biotechnological potential of strain PP1Y for the bioremediation of contaminated soils: a pilot experiment. 3.3.2. Removal of Aromatic Hydrocarbons from artificially polluted soils. 3.3.3. Removal of Aromatic Hydrocarbons from natural polluted soils. IV. CONCLUSION pag. 75 V. REFERENCE pag. 77 VI. PUBLICATIONS pag. 84 VII. PRESENTATIONS IN SCIENTIFIC MEETINGS pag. 85 2 Riassunto RIASSUNTO I composti aromatici sono i contaminanti ambientali più diffusi. Questo, probabilmente, spiega perché ceppi batterici capaci di degradare gli idrocarburi sono così largamente diffusi nell’ambiente. Tra questi, i cosiddetti “batteri idrocarbonoclastici obbligati” (OHCB), come Alkanivorax, Marinobacter e Oleispira sono efficienti degradatori del petrolio, utilizzandone prevalentemente, o esclusivamente, la frazione satura. I ceppi più efficienti nella degradazione dei composti aromatici appartengono invece all’ordine degli Sfingomonadali, Pseudomonadali, e Micobatteri. Recentemente, nel laboratorio in cui è stato sviluppato questo progetto di tesi, un nuovo ceppo batterico, Novosphingobium puteolanum PP1Y, è stato isolato dalle acque superficiali di una piccola baia all’interno del porto di Pozzuoli, in una zona caratterizzata dal transito di imbarcazioni da diporto e da un notevole inquinamento da idrocarburi delle acque superficiali. Le analisi effettuate sul batterio isolato hanno permesso di identificarlo come appartenente all’ordine degli Sfingomonadali. Questo ceppo, non solo, si è mostrato in grado di utilizzare un numero sorprendentemente ampio di idrocarburi aromatici mono- e policiclici (quali ad esempio pirene, naftalene, fenantrene) quale unica fonte di carbonio e di energia, ma ha manifestato anche un efficace adattamento alla crescita su miscele complesse di molecole aromatiche disciolte in fasi non polari (come il gasolio e la benzina), apparentemente mediato dalla produzione di un biofilm che studi preliminari hanno mostrato essere funzionale alle sue capacità degradative. Tali caratteristiche hanno stimolato un’attività di ricerca volta allo studio di possibili applicazioni biotecnologiche del ceppo batterico, sia per le sue particolari capacità degradative che per la produzione di un particolare tipo di biofilm, apparentemente funzionale alle strategie di degradazione del batterio. È pertanto ragionevole ipotizzare un utilizzo del microorganismo per la bioremediation di siti contaminati, in modo particolare quando i contaminanti ambientali siano di natura aromatica. A tal proposito occorre ricordare che il biofilm è un sistema biologico, in cui i batteri sono strutturati e organizzati in una comunità funzionale, che può essere formata da una singola specie o da diverse specie biologiche. Tali comunità sessili sono ricoperte da una matrice extracellulare, composta prevalentemente da omo- ed eteropolisaccaridi, prodotti dai batteri stessi, ma che può presentare anche altri elementi quali piccoli peptidi, sostanze nutritive, e DNA. Il ruolo fisiologico di questa barriera tra l’ambiente e il microorganismo, nei sistemi nei quali è stato studiato, è sostanzialmente riconducibile ad un ruolo primario nell’attuazione dei meccanismi di infezione dell’ospite, nel prevenire l’eccessiva disidratazione, nel favorire l’adesione a specifiche superfici oppure substrati o semplicemente come sostanze di riserva. Ovviamente questo ruolo fisiologico non può essere quello svolto in microorganismi come Novosphingobium puteolanum. PP1Y, nel quale il ruolo del biofilm deve essere investigato e chiarito ex-novo. Gli scopi del lavoro di ricerca descritto nella presente tesi di dottorato sono stati: (1) definire le caratteristiche microbiologiche del ceppo Novosphingobium puteolanum PP1Y e verificare l’applicabilità del suo uso per processi di bioremediation su microcosmi inquinati naturali e artificiali, (2) analizzare il 3 Riassunto dimorfismo planctonico/sessile del ceppo PP1Y focalizzando l’attenzione sull’identificazione dei determinanti molecolari extracellulari alla base del processo di formazione del biofilm, (3) completare il sequenziamento e l’annotazione del genoma del ceppo PP1Y, al fine di dotarsi di uno strumento di indagine diverso da quello dell’isolamento e dell’identificazione delle putative molecole necessarie alla strutturazione del biofilm, e per studiare più nel dettaglio i complessi pattern metabolici che sono alla base delle sue capacità degradative. (1) Definizione delle caratteristiche microbiologiche del ceppo Novosphingobium puteolanum PP1Y; verifica dell’applicabilità del suo uso per processi di bioremediation su microcosmi inquinati naturali e artificiali: Nell’ambito di questo obiettivo la nostra attenzione è stata focalizzata sull’approfondimento delle caratteristiche microbiologiche e delle potenzialità degradative del ceppo PP1Y. A tal proposito è stata analizzata la capacità di N. puteolanum PP1Y di degradare miscele di idrocarburi aromatici, utilizzandoli come unica fonte di carbonio ed energia. Il microorganismo ha mostrato la capacità di degradare miscele complesse di idrocarburi aromatici (quali gasolio o benzina), disciolti in fase oleosa o forniti direttamente nel mezzo di coltura. Il ceppo PP1Y è stato inoltre in grado di operare indistintamente sia in terreni liquidi sia in modelli di suolo artificialmente contaminati. Infatti, la contemporanea analisi dei diversi campioni al microscopio ottico, ha permesso di osservare che il batterio è capace di creare uno specifico microambiente che riveste le gocce d’olio, i composti puri o le particelle di terreno, permettendo al ceppo PP1Y di concentrare il substrato di crescita, impedendone la libera dispersione nell’ambiente, e di metabolizzarlo più rapidamente, se confrontato con altri ceppi adesso impiegati nei processi di bioremediation. L’utilizzo del ceppo PP1Y in interventi di biorisanamento in situ è particolarmente indicato poiché la capacità mostrata dal microorganismo di formare biofilm su superfici di varia natura potrebbe favorire l’adesione del ceppo ai substrati da trattare (per esempio terreno o sabbia), riducendo la dispersione e il dilavamento delle cellule da parte di agenti meteorici e limitando la necessità di ripetere frequentemente gli inoculi, con un notevole risparmio economico. Inoltre, utilizzando la sua capacità di formare emulsioni stabili, si riduce la necessità di aggiungere detergenti e surfattanti. Incapsulando piccole gocce di olio ed estraendone gli idrocarburi aromatici, il ceppo PP1Y può limitare la dispersione nell’ambiente, cosa che invece non si verifica alla presenza di altri ceppi che degradano efficientemente gli idrocarburi saturi e aromatici. Sulla base dei risultati sperimentali ottenuti durante i primi due anni di attività in terreno liquido e su microcosmi inquinati artificialmente, il lavoro di ricerca si è incentrato, durante il terzo anno, sulla valutazione delle potenzialità degradative del ceppo PP1Y in ambienti inquinati non artificiali. Sulla base di ciò sono stati scelti appositi siti contaminati per saggiare, non solo le capacità metaboliche del biosistema in un ambiente naturale, ma anche e soprattutto la sua capacità di competere/cooperare con organismi autoctoni già adattati